β淀粉样肽和谷氨酸能神经元的相互影响在阿尔茨海默病中的研究进展

吕彩珍，王蓉

首都医科大学宣武医院中心实验室，北京市老年病医疗研究中心，北京脑重大疾病研究院阿尔茨海默病研究所，神经变性病教育部重点实验室，北京100053）

阿尔茨海默病（Alzheimer,s disease,AD,老年痴呆），是世界范围内最常见的痴呆类型。据《2018年全球阿尔茨海默报告》显示，2018年全球每3 秒就会新发一例痴呆病例，全世界有5 000 万人患有痴呆，预计到2030年发病人数将达到8 200 万，治疗和护理费用达2 万亿美元。我国作为一个人口大国，形势同样十分严峻，随着老龄化进程的加快，AD 患病人数呈逐年上升的趋势。预计到2030年需承担AD 总花费达5074.9 亿美元，2050年将增加到1.89 万亿美元[1]。AD 是一种慢性、进行性中枢神经系统退行性疾病，以细胞外淀粉样肽（Amyloid-βpeptide,A ）沉积形成的老年斑（senile plaque,SP）和细胞内过度磷酸化的Tau蛋白形成的神经元纤维缠结(neurofibrillary tangle,NFT) 为主要病理特征，主要表现为学习、记忆及解决日常问题能力的下降，随着病程的进展，AD 患者会逐渐丧失生活自理能力，给家庭和社会带来沉重的负担，成为威胁老年人生命健康的第4 位疾病，仅次于心血管病、癌症、脑卒中之后。由于AD 的发病机制十分复杂，至今病因尚不明确。有研究表明，由于海马和大脑皮层中A 低聚物水平的升高可能是通过破坏谷氨酸兴奋性神经元而导致谷氨酸合成过多或者星形胶质细胞和突触前膜的摄取减少，造成突触间隙谷氨酸浓度过高，甚至发生外溢，突触外谷氨酸受体被过度激活，会造成神经元损伤和变性坏死[2]。反之，突触后膜谷氨酸受体的过度激活也会影响A 的生成。在此就二者在AD 中的相互作用进行简单综述，以期为本领域科研和临床工作者提供思路。

1 β淀粉样肽和淀粉样前体蛋白

A 是由淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein ,APP）经-分泌酶和-分泌酶切割形成的代谢产物。APP 是一种存在于多种组织的Ⅰ型跨膜糖蛋白，其N 端位于细胞外，C 端位于细胞内，是突触形成和修复的调节因子[3]。APP 的水解可分为2 种途径：①非A 生成途径，主要由-分泌酶作用形成，产生无神经毒性的片段；②A 生成途径，主要由-分泌酶和-分泌酶作用形成[4]，这种A 可以单体形式存在，也可聚集成可溶性的寡聚体和不可溶性的淀粉样斑块，相比之下，A 低聚物(Amyloid oligomers,A o)与AD 发病联系更紧密。可溶性的A 低聚物目前被认为是造成脑神经元损伤和中枢神经退行性变的主要形式[5-6]，另外也可促进谷氨酸神经传递和Tau 蛋白的磷酸化[7]。家族性阿尔茨海默病是由基因突变引起的，这些突变通过影响APP 水解，向有利于A 生成的方向进行。

2 谷氨酸

谷氨酸是神经系统中最重要的兴奋性神经递质，几乎参与了所有中枢神经系统活动，其浓度影响着神经元生长分化、突触传递、突触可塑性以及学习记忆功能。其可作用于多种受体，大致分为离子型和代谢型。离子型谷氨酸受体有N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartate acid receptor,NMDAR）、氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体( -amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropinic acid receptor,AMPAR)、红藻氨酸激活受体（kainic acid receptor，KAR），其中NMDAR 是最重要的突触后谷氨酸受体，可介导Ca2+内流，激活其下游的级联反应，发挥神经系统处理和储存信息的作用，在谷氨酸介导的突触传递中具有重要意义。NMDAR 是一种异四聚体钙通道，主要由两个NR1亚基和两个NR2 亚基组成[8]。在海马中，NR2 亚基主要表达为NR2A 和NR2B[9]。NMDAR 亚基组成和分布位置决定神经元的命运[10]，富含NR2A 亚基的突触NMDAR 主要通过激活环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP) 反应元件结合蛋白（cAMPresponse element binding protein,CREB）和脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor ,BDNF ) 基因的表达来诱导细胞生存事件[11]；与此相反，富含NR2B 亚基的突触外NMDAR，可触发CREB关闭途径，诱导神经元死亡[12-13]。囊泡谷氨酸转运体（vesicular Glutamate transporters,VGLUT）位于谷氨酸能神经突触前囊泡质膜上，能够将胞质中的谷氨酸特异性地转运入突触囊泡，其数量及胞外谷氨酸浓度决定了转运的速度和效率[14]。由于AD 患者大脑实质细胞上VGLUT 表达的缺失，谷氨酸的摄取和循环受到了相应影响。

3 星形胶质细胞作为淀粉样肽与谷氨酸作用的媒介

星形胶质细胞是体积最大和分布最广泛的胶质细胞，在维持中枢神经系统生理功能中起着举足轻重的作用，诸如为神经细胞提供营养、调节突触活性、清除细胞代谢产物，维持血脑屏障的完整性[15]。A o 可通过增加氧化应激和丝裂原活化蛋白激酶的活性，作用于星形胶质细胞，进而抑制谷氨酸生成谷氨酰胺的能力，影响谷氨酸受体的活性[16]。A o 也可通过激活 7 烟碱受体触发星形胶质细胞释放谷氨酸，导致突触间隙谷氨酸集聚，从而激活突触外NMDAR，引起神经元功能障碍；也可促进 -分泌酶的表达，增加A的产生[17]。

4 β淀粉样肽对谷氨酸的影响

A 在突触前能促进囊泡释放谷氨酸进入突触间隙，当神经元功能正常时，突触囊泡释放的谷氨酸只作用于突触NMDAR；当谷氨酸释放过多或者星形胶质细胞功能障碍时，谷氨酸积聚在突触间隙或发生外溢，造成突触外NMDAR激活，被过度激活的NMDAR 导致突触后神经元钙超载，诱发兴奋性毒性作用，神经元凋亡及神经退行性变[18]。Kashani 课题组研究[19]发现AD 患者大脑皮层的谷氨酸转运体表达下降，并且VGLUT1 下降更明显，同样，大脑皮层和海马的人源性兴奋性谷氨酸转运蛋白（excitatory amino acid transporter,EAAT）EAAT1 和EAAT2 蛋白的表达也降低，这可能导致突触间隙的谷氨酸不能被及时清除，进而引发兴奋性毒性[20]。最近1 项研究表明，NMDAR 自身也可以作为一种代谢性受体和信号分子，不再需要通过Ca2+来触发下游反应[21]。另外，A o 可能与一种酪氨酸激酶EphB2 的纤黏蛋白重复区域结合，引发其降解，损害NMDAR的正常功能，导致突触障碍[22]。A 1-42 可以增加活性氧和脂质过氧化物与谷氨酸转运蛋白的结合，抑制其活性，从而减少对谷氨酸的摄取[23]。

A o 也可与代谢型谷氨酸受体5 相互作用促进海马体长时程抑制（long-term depression,LTD）并抑制长时程增强（long-term potentiation,LTP），引发下游反应与激酶，如P38 丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase,p38 MAPK）、Jun 末端激酶(Jun N-terminal kinase,JNK)和细胞周期素依赖激酶，影响可塑性基因的转录[24]；激活细胞周期依赖性激酶-5 和糖原合酶激酶-3，会促进Tau 蛋白磷酸化，破坏微管结构，导致神经元崩解死亡[25]。

Gill 团队[26]对海马切片的研究表明，用A 25-35 处理可以促进谷氨酸和天冬氨酸的释放或者抑制神经元星形胶质对细胞谷氨酸和天冬氨酸的摄取，使得突触间隙Glu 浓度过高,引发下游级联反应，这一效应在老年动物中表现更为突出。1 项新近研究用谷氨酸电化学生物传感器原位监测了A 1-42 诱导单一静脉曲张海马神经元中谷氨酸的释放，能够实时监测并量化囊泡释放谷氨酸的浓度。结果表明，A o 短期处理可引起谷氨酸释放增加，长期处理时，Glu 耗竭，VGLUT 也显示出相似的趋势[27]。这让我们不禁想到A 对谷氨酸浓度的影响可能与AD 的病程发展相对应。相关研究报道显示，轻度认知功能障碍患者大脑中谷氨酸能神经元树突棘密度和突触数量都是增加的，这可能是一种早期代偿作用，但随着病程的进展，这种代偿作用会逐渐减弱[28]。为进一步研究这种早期代偿作用，Yeung 等[29]及其同事通过免疫组织化学和共聚焦显微镜观察了立体定向注射A 1-42 后3 天（急性处理，模拟AD 早期）小鼠海马特异性谷氨酸受体和转运体的变化。结果发现，与注射人工脑脊液组相比，实验组仅在行为学实验中表现出异常，提示A 急性处理会损害记忆功能，但谷氨酸能NMDAR 和VGLUT 并无明显变化，但这似乎与AD 早期仅表现为记忆力下降而突触功能并无明显损伤相吻合，与上述实验结果和推测结果一致。

5 N-甲基-D-天冬氨酸受体激活对淀粉样肽的影响

越来越多证据表明，A 可激活NMDAR，另外NMDAR的激活也会影响APP 水解途径。APP770 和APP751 包含一个丝氨酸蛋白酶抑制域，称为Kunitz 蛋白酶抑制域（Kunitz protease inhibitor,KPI）[30]，KPI 表达能抑制 -分泌酶的活性，从而促进-分泌酶和 -分泌酶作用。因此，脑实质中大量表达KPI-APP，就可能造成A 的大量产生[31]。Bordji 等[32]的研究证明，突触外NMDAR 的慢性激活有利于KPI-APP表达，导致神经元A 产生增多；而突触NMDAR 激活降低KPI-APP 的表达。本研究中通过NMDAR 拮抗剂美金刚对KPI-APP 蛋白表达以及A 的释放影响进行了深入探究，结果显示，美金刚呈剂量依赖性地抑制突触外NMDAR 激活，进而抑制A 的产生和释放。

6 小结

随着人口老龄化的逐步加剧，AD 越来越成为危害老年人身心健康的重大疾病，给患者和家人带来巨大的痛苦。但是由于致病因素多，机制复杂，目前仍然没有有效治愈AD的药物，这也一直困扰着广大临床医生和研究人员。多少年来研究的热点多持续在A o 沉积造成的神经元受损和Glu的兴奋性毒性作用上，同时有大量研究证明二者之间存在密不可分的关系，因此，分析二者的相互作用，深入探讨其机制，对于AD 等神经退行性疾病的研究具有重要意义。